Nanoparticle Charge and Size Control Foliar Delivery Efficiency to Plant Cells and Organelles

Resumo

Fundamental and quantitative understanding of the interactions between nanoparticles and plant leaves is crucial for advancing the field of nanoenabled agriculture. Herein, we systematically investigated and modeled how ζ potential (−52.3 mV to +36.6 mV) and hydrodynamic size (1.7–18 nm) of hydrophilic nanoparticles influence delivery efficiency and pathways to specific leaf cells and organelles. We studied interactions of nanoparticles of agricultural interest including carbon dots (CDs, 0.5 and 5 mg/mL), cerium oxide (CeO₂, 0.5 mg/mL), and silica (SiO₂, 0.5 mg/mL) nanoparticles with leaves of two major crop species having contrasting leaf anatomies: cotton (dicotyledon) and maize (monocotyledon). Biocompatible CDs allowed real-time tracking of nanoparticle translocation and distribution in planta by confocal fluorescence microscopy at high spatial (∼200 nm) and temporal (2–5 min) resolution. Nanoparticle formulations with surfactants (Silwet L-77) that reduced surface tension to 22 mN/m were found to be crucial for enabling rapid uptake (<10 min) of nanoparticles through the leaf stomata and cuticle pathways. Nanoparticle–leaf interaction (NLI) empirical models based on hydrodynamic size and ζ potential indicate that hydrophilic nanoparticles with <20 and 11 nm for cotton and maize, respectively, and positive charge (>15 mV), exhibit the highest foliar delivery efficiencies into guard cells (100%), extracellular space (90.3%), and chloroplasts (55.8%). Systematic assessments of nanoparticle–plant interactions would lead to the development of NLI models that predict the translocation and distribution of nanomaterials in plants based on their chemical and physical properties.

Abstract

A compreensão fundamental e quantitativa das interações entre nanopartículas e folhas de plantas é crucial para o avanço do campo da agricultura nanoativada. Aqui, investigamos e modelamos sistematicamente como o potencial ζ (−52,3 mV a +36,6 mV) e o tamanho hidrodinâmico (1,7–18 nm) de nanopartículas hidrofílicas influenciam a eficiência de entrega e as vias para células foliares e organelas específicas. Estudamos as interações de nanopartículas de interesse agrícola, incluindo pontos de carbono (CDs, 0,5 e 5 mg/mL), nanopartículas de óxido de cério (CeO2, 0,5 mg/mL) e sílica (SiO2, 0,5 mg/mL) com folhas de duas espécies principais de culturas com anatomias foliares contrastantes: algodão (dicotiledônea) e milho (monocotiledônea). CDs biocompatíveis permitiram o rastreamento em tempo real da translocação e distribuição de nanopartículas in planta por microscopia de fluorescência confocal em alta resolução espacial (∼200 nm) e temporal (2–5 min). Formulações de nanopartículas com surfactantes (Silwet L-77) que reduziram a tensão superficial para 22 mN/m foram consideradas cruciais para permitir a rápida absorção (<10 min) de nanopartículas através dos estômatos foliares e vias de cutícula. Modelos empíricos de interação nanopartícula-folha (NLI) baseados no tamanho hidrodinâmico e potencial ζ indicam que nanopartículas hidrofílicas com <20 e 11 nm para algodão e milho, respectivamente, e carga positiva (>15 mV), exibem as maiores eficiências de entrega foliar em células-guarda (100%), espaço extracelular (90,3%) e cloroplastos (55,8%). Avaliações sistemáticas das interações nanopartículas-plantas levariam ao desenvolvimento de modelos NLI que preveem a translocação e distribuição de nanomateriais em plantas com base em suas propriedades químicas e físicas.